Intégration des systèmes d’énergie renouvelable dans la conception des bâtiments

L’intégration des sources d’énergie renouvelable dans la conception des bâtiments est une étape cruciale vers les bâtiments écologiques et la préservation de l’environnement à une période où la durabilité est une nécessité plutôt qu’une option. Selon un rapport de l’Agence internationale pour les énergies renouvelables, ces dernières représentaient 43 % de la capacité énergétique en place dans le monde. L’intégration des technologies solaires, éoliennes et géothermiques dans les paysages urbains favorise non seulement une relation durable avec l’environnement, mais dirige également le secteur de l’architecture vers un avenir où les bâtiments fonctionneront comme des écosystèmes novateurs et performants plutôt que comme de simples structures physiques. 

Dans cet article, nous allons examiner l’importance de l’énergie renouvelable dans l’écoconception des bâtiments. Cela inclut des systèmes innovants qui peuvent être intégrés, depuis les panneaux solaires et les éoliennes jusqu’aux systèmes de chauffage géothermique et de récupération de l’eau de pluie. L’objectif est de fournir aux professionnels et aux passionnés les connaissances nécessaires pour révolutionner la conception des bâtiments grâce à l’énergie renouvelable, tout en décrivant en détail les obstacles rencontrés. Tout d’abord, examinons l’importance de l’énergie renouvelable dans la conception des bâtiments dans le monde d’aujourd’hui. 

L’importance de l’énergie renouvelable dans la conception des bâtiments

La conception moderne repose en grande partie sur l’énergie renouvelable, qui se caractérise par sa capacité à se reconstituer plus rapidement qu’elle n’est utilisée. Cela couvre les sources d’énergie essentielles au développement de l’écoconception des bâtiments, telles que l’énergie solaire, l’énergie éolienne, l’énergie hydraulique, l’énergie géothermiqueet la bioénergie. Les bâtiments peuvent améliorer leur rendement énergétique et réduire considérablement leur empreinte carbone en associant différentes sources d’énergie. 

Les sources d’énergie traditionnelles, notamment le charbon et le pétrole, offrent une durabilité limitée et prennent des millions d’années avant de se former. D’autre part, les sources d’énergie renouvelable telles que le vent et le soleil sont inépuisables et produisent peu de gaz à effet de serre. Du fait de la décentralisation de l’énergie renouvelable, son intégration dans la conception des bâtiments permet non seulement d’améliorer la sécurité énergétique, mais également de réduire les effets du changement climatique. 

D’un point de vue économique, l’intégration de l’énergie renouvelable dans les bâtiments est également une meilleure option. Par rapport aux prix instables des combustibles fossiles, l’énergie renouvelable constitue un choix plus abordable, car elle réduit les coûts énergétiques et stabilisent progressivement les coûts énergétiques. En outre, l’utilisation de l’énergie renouvelable dans les bâtiments peut augmenter les prix de l’immobilier et favoriser l’amélioration de la qualité de l’air à l’intérieur des bâtiments

Sources d’énergie renouvelable innovantes pour les bâtiments

À présent que nous avons défini les raisons de construire des structures avec des sources d’énergie renouvelable, examinons les types de formes innovantes d’énergie renouvelable qui peuvent transformer les bâtiments en bâtiments écologiques. 

Énergie solaire : photovoltaïque et thermique

Grâce à une technologie à base de silicium, l’énergie solaire est directement convertie en électricité par des panneaux photovoltaïques (PV). Ces panneaux monocristallins, polycristallins et à couche mince, peuvent être intégrés à la façade ou à la toiture des bâtiments. La capacité mondiale d’énergie solaire photovoltaïque a augmenté de près de 50 % en 2023 par rapport à l’année précédente, grâce notamment à la croissance rapide des installations solaires photovoltaïques en Chine, ce qui illustre​ le développement rapide de la technologie et les possibilités d’intégration dans les structures contemporaines.

Types de panneaux solaires photovoltaïques

• Panneaux monocristallins : fabriqués à partir d’une structure monocristalline, ces panneaux sont réputés pour leur excellent rendement et leur aspect élégant. Bien qu’ils soient souvent plus coûteux que les autres types, ils sont également plus performants et moins encombrants.
• Panneaux polycristallins : moins chers que les panneaux monocristallins, mais souvent moins performants en raison de leur construction en multiples cristaux de silicium. Ils constituent un choix populaire pour les installations plus grandes où l’espace n’est pas une contrainte.
• Panneaux à couche fine : un substrat est recouvert d’une ou plusieurs couches de matériaux photovoltaïques pour créer ces panneaux. En raison de leur flexibilité, de leur légèreté et de leur capacité à être rendus semi-transparents, ils peuvent être intégrés aux fenêtres et aux façades, parmi d’autres utilisations créatives.

Thermique solaire 

La technologie solaire thermique, fréquemment utilisée pour chauffer l’eau, utilise la lumière du soleil pour chauffer des liquides, qui produisent alors de l’énergie. Ce système utilise des collecteurs pour absorber et concentrer la lumière du soleil, la convertissant en chaleur qui est transférée à un fluide, qui produit alors de la vapeur pour actionner une turbine reliée à un générateur électrique. Cette technique est fréquemment utilisée dans les opérations industrielles et les systèmes de chauffage urbain en raison de son rendement dans les applications à grande échelle.

Énergie éolienne

Les éoliennes convertissent l’énergie cinétique du vent en électricité. Parmi les nouveaux développements de la technologie éolienne, citons les éoliennes à axe vertical, qui fonctionnent efficacement dans les villes, car elles n’ont pas besoin d’être face au vent et leur conception compacte permet de les installer plus près. Les grandes éoliennes peuvent contribuer de manière significative aux besoins énergétiques d’un bâtiment, certaines étant capables d’alimenter des milliers de foyers par an. Selon le Conseil mondial de l’énergie éolienne, la capacité éolienne en place dans le monde a atteint plus de 906 GW (gigawatts) à la fin de l’année 2023, ce qui représente une croissance de 9 % par an. Cela met en évidence l’augmentation considérable des avancées technologiques et de leur utilisation dans les zones rurales et urbaines. 

Types d’éoliennes

• Éoliennes à axe horizontal : ces éoliennes, qui tournent sur un axe horizontal, sont les plus répandues. Elles sont couramment utilisées dans les grands parcs éoliens et ont la capacité de produire des quantités importantes d’énergie. Une énorme HAWT, par exemple, peut produire suffisamment d’énergie chaque année pour alimenter des milliers de foyers. 
• Éoliennes à axe vertical (VAWT) : du fait de leur orientation verticale, les VAWT peuvent capter le vent de n’importe quelle direction sans avoir à modifier leur orientation. C’est pourquoi elles sont particulièrement performantes dans les zones urbaines où la direction du vent peut changer brusquement. Leur petite taille permet également de les déployer près d’autres bâtiments et structures, maximisant ainsi la quantité d’énergie pouvant être captée dans de petites zones.

Intégration des éoliennes dans la conception des bâtiments

Les petites éoliennes peuvent être montées sur les toits ou intégrées à la structure d’un bâtiment, fournissant ainsi une source directe d’énergie renouvelable. Cette méthode est performante dans les environnements urbains où l’espace est limité et les ressources éoliennes abondantes. Si les ressources éoliennes disponibles sont suffisantes, les bâtiments peuvent satisfaire une grande partie de leurs besoins en énergie grâce à des éoliennes autonomes placées à proximité. Ces installations peuvent varier de petits projets éoliens communautaires à des parcs éoliens à grande échelle qui alimentent directement le réseau en énergie.

Énergie géothermique

Les systèmes géothermiques génèrent de la chaleur et du froid en utilisant la température omniprésente sous la surface de la terre. Les pompes à chaleur géothermique (GHP) échangent de la chaleur avec la terre par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur souterrain, ce qui les rend très performantes et moins dépendantes des températures extérieures. Ces systèmes peuvent être configurés de différentes manières, en fonction de la disponibilité des terres et de la qualité du sol : horizontal, vertical et étang/lac. Selon le ministère américain de l’Énergie, les pompes à chaleur géothermiques peuvent réduire la consommation d’énergie de 44 % par rapport aux pompes à chaleur aérothermiques et de 72 % par rapport aux équipements de climatisation standard. 

Types de systèmes géothermiques

• Systèmes horizontaux : conviennent aux endroits où la terre est abondante sans être trop profonde, ces systèmes sont généralement installés dans des tranchées peu profondes. Pour les installations résidentielles, les systèmes horizontaux sont souvent plus abordables.
• Systèmes verticaux : ceux-ci nécessitent un forage de puits profonds, ce qui les rend idéaux pour les zones où la surface est limitée, mais où les sols sont profonds et stables. Dans les structures commerciales et dans les endroits où le terrain est coûteux, les systèmes verticaux sont souvent choisis.
• Systèmes avec étang ou lac : Ces systèmes échangent de la chaleur avec une masse d’eau voisine. Ils doivent être situés à proximité d’un approvisionnement en eau adéquat, mais ils sont moins intrusifs et très performants.

Intégration des systèmes géothermiques dans la conception des bâtiments

L’intégration efficace des systèmes géothermiques dans la conception des bâtiments nécessite beaucoup de planification. Voici un guide étape par étape pour garantir une intégration efficace. 

1. Évaluation du site : avant l’installation, une évaluation approfondie du site est nécessaire. Il s’agit notamment d’étudier le type de sol et de roche, qui peut affecter l’efficacité de l’échangeur de chaleur souterrain, la présence d’eau souterraine, qui peut améliorer les capacités de transfert de chaleur et la disponibilité du terrain pour déterminer le type de système (horizontal, vertical, étang/lac) qui peut être utilisé. 
2. Conception de l’échangeur thermique souterrain : Il s’agit d’un réseau de tuyaux souterrains qui transfère la chaleur au bâtiment. Ils peuvent être horizontaux, verticaux ou installés dans des plans d’eau à proximité. 
3. Intégration aux systèmes de bâtiments : le système doit être intégré aux systèmes CVC (chauffage, ventilation et climatisation) du bâtiment. La pompe à chaleur géothermique peut être raccordée au système de gaines ou au plancher radiant du bâtiment pour distribuer de l’air ou de l’eau chauffé(e) ou refroidi(e). 
4. Intégration du système de gestion de l’énergie (EMS) : vous pouvez configurer un EMS pour automatiser le système géothermique afin qu’il fonctionne pendant les heures creuses avec un rendement optimal et une réduction des coûts énergétiques. Il assure également une surveillance continue pour garantir le bon fonctionnement et rendement du système. 

Bioénergie

Les systèmes énergétiques basés sur la biomasse constituent une source fiable et durable de chaleur et d’électricité pour les bâtiments en brûlant des matériaux organiques tels que des pastilles de bois ou des déchets agricoles. L’intégration de chaudières biomasses ou de systèmes de production combinée de chaleur et d’électricité (PCCE) dans la conception des bâtiments permet d’assurer efficacement le chauffage des locaux et la production d’eau chaude, tout en réduisant la dépendance aux combustibles fossiles et les émissions de carbone. En outre, contrairement aux sources d’énergie renouvelable sporadiques telles que l’énergie solaire ou éolienne, les systèmes bioénergétiques fournissent un approvisionnement régulier en énergie. Du fait de leur fiabilité, ils sont particulièrement bien adaptés pour garantir la sécurité énergétique des bâtiments, notamment dans les zones où les ressources solaires ou éoliennes peuvent être limitées ou variables. 

Grâce à cette fiabilité, cette forme d’énergie représente environ 10 % de la consommation finale d’énergie dans le monde, selon l’Agence internationale pour les énergies renouvelables. En outre, environ trois quarts de l’utilisation mondiale d’énergie renouvelable concerne la bioénergie. Comme le montre la figure 2 ci-dessous, l’utilisation de la bioénergie suit une trajectoire ascendante. 

Hydroélectricité

Si les projets hydroélectriques à grande échelle ne sont pas toujours réalisables pour les bâtiments individuels, les microsystèmes hydroélectriques peuvent être parfaitement intégrés dans les structures situées à proximité de plans d’eau telles que les rivières, les ruisseaux voire les voies d’eau créées par l’homme. Ces systèmes exploitent l’écoulement de l’eau pour produire de l’électricité à l’aide de turbines ou de roues hydrauliques, qui sont reliées à des générateurs qui convertissent l’énergie mécanique en énergie électrique et fournissent une source d’énergie renouvelable.

L’intégration de la micro-hydraulique dans la conception des bâtiments nécessite une évaluation minutieuse du site, une ingénierie hydraulique et une conception du système afin d’optimiser la production d’énergie tout en réduisant l’impact sur l’environnement. Les microsystèmes hydroélectriques contribuent à la réalisation des objectifs de développement durable en réduisant les émissions de gaz à effet de serre, en améliorant la sécurité énergétique et en stimulant la croissance économique régionale grâce à l’utilisation de l’énergie de l’eau vive. 

Défis de l’intégration de l’énergie renouvelable dans la conception des bâtiments

L’intégration des sources d’énergie renouvelable dans la conception des bâtiments présente de nombreux avantages. Toutefois, certains facteurs doivent être pris en compte avant leur mise en œuvre, notamment : 

• Coûts : les prix initiaux élevés des technologies et la difficulté d’obtenir un financement pour les solutions de stockage d’énergie sont deux des obstacles financiers à l’intégration des systèmes d’énergie renouvelable. Toutefois, les incitations financières telles que les abattements fiscaux et les subventions peuvent compenser ces coûts et accroître la viabilité des projets d’énergie renouvelable.
• Contraintes d’espace et intégration urbaine : des restrictions d’espace en milieu urbain peuvent entraver l’installation de systèmes d’énergie renouvelable à grande échelle. Pour contourner ces restrictions, les solutions pourraient consister à incorporer des systèmes plus flexibles et plus petits, tels que des éoliennes à axe vertical, ou à envisager des possibilités de production d’énergie renouvelable hors site. 
• Obstacles réglementaires : la navigation dans des environnements réglementaires complexes est un obstacle majeure. Les règles précisent souvent comment les projets sont connectés au réseau et quelle quantité d’électricité est payée à cet effet. Les variations des règles d’un état à l’autre peuvent entraîner des retards et augmenter les coûts des projets. Une participation précoce aux projets auprès des législateurs et des organismes de réglementation peut aider à surmonter ces obstacles. 

Conclusion

En conclusion, l’intégration des sources d’énergie renouvelable dans la conception des bâtiments représente une étape cruciale dans la construction d’environnements durables et résistants. En exploitant la puissance de l’énergie solaire, éolienne, géothermique, bioénergétique et hydroélectrique, les bâtiments peuvent réduire leur empreinte carbone, accroître leur indépendance énergétique et promouvoir la gestion de l’environnement. Cette stratégie globale permet non seulement d’atténuer les conséquences négatives du changement climatique, mais également de promouvoir le développement communautaire, la création d’emplois et le progrès économique. Non seulement les bâtiments consommeront moins d’énergie à l’avenir, mais ils seront également bénéfiques pour la santé et le bien-être de la planète et de ses occupants, car les architectes, les ingénieurs et les législateurs continuent de mettre l’accent sur l’intégration de l’énergie renouvelable.